天线的主要特性参量.pptx

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1、航空天线技术第 二 讲天 线 的 主 要 特 性 参 量第1页/共47页天线的主要特性参量 方向图 主瓣宽度 副瓣电平 方向系数 增益 效率 输入阻抗 驻波比 品质因数 极化 轴比 相位中心 带宽 有效长度 有效接收面积 等效噪声温度 RCSRCS第2页/共47页方向图天线辐射的功率有些方向大，有些方向小。表示这种辐射功率大小在空间的分布图，称为方向图。不同型式的天线，它们的方向图也不相同。如果把天线在各方向辐射的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包面，就是天线的方向图。显示天线在不同方向辐射的相对大小 第3页/共47页方向图在极坐标上以向径长度表示该方向电场强度的绝

2、对值，这种方向图称为电场方向图。在直角坐标系中，以横坐标表示角度，以纵坐标表示电场绝对值。若以向径长度表示该方向每单位面积辐射的功率大小，由此得到的方向图称为功率方向图。因为辐射功率是与电场强度的平方成正比，所以功率方向图中的向径长度应为电场方向图中同一方向上向径长度的平方。第4页/共47页立体方向图上述方向图是一个三维的立体图形，因而被称为立体方向图。举例：喇叭天线 第5页/共47页立体方向图第6页/共47页平面方向图任何通过原点的平面，与立体方向图相交的轮廓线称为天线在该平面的平面方向图。工程上一般采用两个相互正交的主平面上的方向图来表示天线的方向性，这两个主面称为E面和H面。E面是通过天

3、线最大辐射方向并平行于电场矢量的平面；H面是通过天线最大辐射方向并垂直于E面的平面。第7页/共47页E面、H面方向图第8页/共47页方向图第9页/共47页主瓣宽度与副瓣电平 方向图中有许多波瓣，其中包含最大辐射方向的波瓣称为主瓣，其它依次称为第一副瓣、第二副瓣等等。天线辐射是否集中，可以用主瓣宽度这一特性参量来表示。主瓣中辐射强度（即功率密度）为最大值一半的两个向径之间的夹角称为主瓣宽度。主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示天线辐射越集中。副瓣的最大值相对于主瓣最大值的比称为副瓣电平，一般用分贝表示。第10页/共47页主瓣宽度功率方向图中，功率为主瓣最大值一半的两点所张的夹角称为主瓣宽度，或主瓣的

4、半功率点宽度。在电场方向图中，相应于半功率点的绝对值是最大值的0.707倍。因此，在电场方向图中，主瓣宽度是指场强下降到最大值的0.707倍的两点之间所张的夹角。第11页/共47页方向系数（功率密度表示式）方向系数是在相同辐射功率条件下，在（）方向辐射的功率密度除以所有方向上的平均辐射功率密度，即第12页/共47页方向系数（功率密度表示式）第13页/共47页方向系数（辐射强度表示式）如果辐射强度定义为方向系数的另一等价表示式为第14页/共47页最大方向系数 在被抑制的辐射方向上小于1 在被增强的辐射方向上大于1如果 是辐射强度最大的方向，则在 上 有最大值而 就是最大方向系数。第15页/共47

5、页增益方向系数是用来比较给定方向上的辐射强度与平均辐射强度的，所以它不考虑天线材料中的功率损耗，而增益计入了这些损耗，因此增益的定义是在相同输入功率条件下，在（）方向辐射的功率密度除以所有方向上的平均辐射功率密度，即 是天线从发射机得到的总功率第16页/共47页效率一般来说，载有高频电流的天线导体及其绝缘介质都会产生损耗，因此输入天线的实功率并不能全部地转换成电磁波能量。天线效率定义为天线辐射功率与输入功率之比。第17页/共47页效率其中：Rr为辐射电阻，RL为损耗电阻可见，要提高天线效率，必须尽可能减小损耗电阻和提高辐射电阻。考虑到天线输入端的电压反射系数，则天线的总效率为第18页/共47页

6、方向系数、增益与效率因为天线从发射机得到的功率大于实际的辐射功率，所以方向系数、增益与效率的关系第19页/共47页增益在实际应用中，有时以自由空间的半波天线来代替点源天线作为增益的比较标准。在改以半波天线作比较标准时，相应的方向性系数应比点源的小1.64倍。第20页/共47页输入阻抗天线的输入阻抗是天线在馈电点的电压与电流的比值。与天线的型式，使用的波长以及周围物体的情况等因素有关。求出天线的输入阻抗之后，就可据此设计馈线，以达到相互匹配。第21页/共47页输入阻抗天线的输入阻抗：其中：Rin，Xin分别为输入电阻和输入电抗，它们分别对应有功功率和无功功率。有功功率以损耗和辐射两种方式耗散掉，

7、而无功功率则驻存在近区内。第22页/共47页驻波比 电压驻波比（voltage standing wave ratio）用来衡量失配的程度，其定义为沿线电压最大值与最小值之比（最好是相邻的）。工程上对天线系统提出的设计要求是规定在馈线上允许的驻波比。匹配的越好，驻波比越小。第23页/共47页品质因数（G/T）天线增益与噪声温度之比通常规定的是天线-接收机系统的品质因数，这种情况下的品质因数是天线增益除以折算到天线输出端的系统噪声温度。射频系统在任意参考平面的系统品质因数与在天线端口的系统品质因数相等。因为增益和系统噪声温度是折算到同一参考平面的。第24页/共47页极化天线的极化是指该天线在给定

8、方向上远区辐射电场的空间取向。辐射波的极化:在空间固定位置上，沿着传播方向观察时观察到的电场矢量的末端随时间变化所描述出的轨迹，用来描述辐射电磁波的电场矢量的方向和相对幅度的时变特性。第25页/共47页极化极化可分为线极化、圆极化和椭圆极化。轨迹为一条直线时，称线极化；轨迹沿顺时针旋转圆极化为右旋圆极化（RHCP）/或右旋椭圆极化，反之为左旋圆极化（LHCP）/或左旋椭圆极化。天线不能接收与其正交的极化分量。第26页/共47页轴比 对于椭圆极化，在给定位置上电场随时间变化的轨迹曲线一般是椭圆，椭圆的长轴与短轴之比称为轴比，常用分贝表示。圆极化轴比为1（0dB）。轴比有时带有符号，即右旋极化为正

9、，左旋极化为负。第27页/共47页相位中心天线的相位中心是其远区辐射场的等相位面与通过天线轴线的平面相交的曲线的曲率中心。天线的相位中心应与其几何中心一致，但由于多种原因，如天线制造水平、信号入射方向、高度角等。天线相位中心与几何中心存在偏差，称为天线相位中心偏差。第28页/共47页带宽天线的带宽定义为天线某个性能参数符合规定标准的频率范围，在带宽频率范围内天线的特性（比如输入阻抗、方向图、波束宽度、极化、旁瓣电平、增益、波束指向、辐射效率等）均在容许的范围以内。第29页/共47页带宽 带宽有不同的表达形式，分为绝对带宽和相对带宽。绝对带宽为高端频率与低端频率之比；相对带宽用高端频率减低端频率

10、的频率差对频带的中心频率的百分比表示。通常，相对带宽只有百分之几的为窄频带天线；相对带宽达百分之几十的为宽频带天线；绝对带宽可达几个倍频程的为超宽频带天线。第30页/共47页有效长度一般而言，天线上的电流分布是不均匀的，即天线上各部位的辐射能力不一样。为了衡量天线的实际辐射能力，常采用有效长度。定义：在保持实际天线最大辐射方向上的场强值不变的条件下，假设天线上的电流分布为均匀分布时天线的等效长度。通常将归算到输入电流 的有效长度记为 ，将归算到波腹电流 的有效长度记为第31页/共47页有效长度方向系数、辐射电阻与有效长度的关系在天线的设计过程中，有一些专门的措施可以加大天线的等效长度，用来提高

11、天线的辐射能力。第32页/共47页有效接收面积有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。定义：当天线以最大接收方向对准来波方向进行接收时，并且天线的极化与来波极化相匹配，接收天线送到匹配负载的平均功率与来波的功率密度之比，即第33页/共47页等效噪声温度天线除了能够接收无线电波之外，还能接收来自空间各种物体的噪声信号。外部噪声通过天线进入接收机，因此又称天线噪声。天线接收的噪声功率的大小可以用天线的等效噪声温度 来表示。第34页/共47页等效噪声温度将接收天线视为一个温度为 的电阻，则它输送给匹配的接收机的最大噪声功率为其中Kb为波尔兹曼常数，f为带宽。当接收天线距发射天线非常远时

12、，接收机所接收的信号电平已非常微弱，这时天线输出端的信噪比反映出天线的质量。第35页/共47页等效噪声温度可见，增大增益或减小等效噪声温度均可以提高信噪比，进而提高检测微弱信号的能力，改善接收质量。第36页/共47页等效噪声温度应用瑞利-金（Raylei-Jeams）对普朗克辐射定律的近似，求得天线在匹配接收时输入端产生的等效噪声温度第37页/共47页等效噪声温度其中第38页/共47页等效噪声温度常规天线方向性系数第39页/共47页等效噪声温度第40页/共47页接收系统的噪声温度T:空间噪声源的噪声温度;TA:天线输出端的噪声温度;T0:均匀传输线的噪声温度;Ta:接收机输入端的噪声温度;Tr

13、:接收机本身的噪声温度;Ts:接收机输出端的噪声温度第41页/共47页接收系统的噪声温度传输线的衰减也会降低噪声功率，因而其中为传输线的衰减常数（NP/m）整个接收系统的有效噪声温度为第42页/共47页天线RCS天线的散射场包括两部分，一是与天线负载无关的结构项散射场，另一部分则是随天线负载和馈源而变化的模式项散射场。前者确定了天线的结构散射雷达截面，后者确定了天线的模式散射雷达截面。二者的相位叠加构成天线总的雷达截面第43页/共47页天线RCS其中 表示两项散射场之间的相位差，这是一个受天线结构、馈源和频率影响的参数，确定它的值十分困难。第44页/共47页天线RCS前者是天线对来波直接散射构成。后者则是天线接收来波后又重新辐射而成，变化规律与天线方向图相同，数值与反射系数相关。第45页/共47页天线RCS第46页/共47页谢谢您的观看！第47页/共47页